Получить энергию – важно, но ещё важнее – сохранить!

Почему альтернативные источники занимают пока столь скромное место в народном хозяйстве мировых стран? Даже тех стран, у которых нет традиционных полезных ископаемых, пригодных для выработки энергии?

Главнейшая причина, вернее, несколько – несовершенство батарей, сохраняющих энергию. Долго заряжаются, имеют предел зарядки, теряют значительную часть при длительном хранении – вот главные недостатки аккумуляторов. Да плюс ко всему – дорогие. Здесь камень преткновения великой и спасительной поступи природных возобновляемых источников энергии!

В данной серии заметок пойдёт речь об усилиях учёных-изобретателей по поиску оптимальных вариантов аккумуляторов для альтернативных источников энергии. Ведь все виды природных источников отличаются крайним непостоянством, эпизодичностью, а электроэнергия не терпит скачков. Поэтому несовершенство аккумуляторов, помноженное на непостоянство ветра, солнца и воды, откуда мы получаем энергию, сдерживают массовую поступь по планете возобновляемых природных источников энергии.

Итак, аккумуляторы. Где взять такие приборы, которые могут быстро заряжаться и не знать предела зарядки, долго сохранять энергию без потерь, затем отдавать её по мере потребления столько, сколько потребуется времени и напряжения, чтобы не прерывать процесс производства или освещения объектов?

Как вы сейчас убедитесь, поиски идут, но от восторга в воздух чепчики бросать пока рановато.

Хоть и дёшево, но не сердито

Группа китайских изобретателей вместе с американскими коллегами пришли к новой технологии изготовления аккумуляторов, предназначенных для альтернативных источников энергии. Они создали гибрид литиевых и натриево-серных агрегатов и назвали его натриево-ионным. Он предназначен обеспечивать потребителей электричеством в часы полного затишья ветра и при пасмурной погоде, когда перестают действовать солнечные батареи.

Главное его достоинство – дешевизна! И достигнуто это за счёт использования в его работе обыкновенной поваренной соли. Но учёных в ходе исследований подстерегала другая проблема в связи с созданием электродов. Немало помучившись, они создали специально для этого агрегата оксидно-марганцевые провода, по которым передвигаются ионы натрия.

Получился натриево-ионный долговечный прибор. При испытании его 100 раз заряжали и разряжали и при этом он утратил лишь 10% своей ёмкости. Кстати, объём мощности его довольно внушительный.

Всё бы хорошо, да вот незадача: чем интенсивнее ветер и чем больше за короткое время поступает на аккумулятор энергии, тем меньше он накапливает её впрок. Не успевает осваивать поступающую энергию. Проявляет некую «заторможенность». Учёные работают сейчас над устранением этой проблемы и уверены, что они на верном пути к совершенству искомого агрегата.

Аккумуляторная революция?

Поиск изобретателей продолжается. Проблема нешуточная: как накопить во время интенсивной работы ветрогенераторов и солнечных батарей столько энергии, чтобы её хватило на несколько часов полного безветрия и даже солнечного затмения. Эту роль должны выполнить аккумуляторы, которых до наших времён на свете не существовало. Задача с несколькими неизвестными.

Но просвет в поисках всё же наблюдается. Часто мы встречаем отрадную весть из разных уголков земного шара о некоторых находках по заданной тематике.

Профессор института технологии из Массачусетса Садвей обнародовал крупномасштабную систему сохранения энергии с помощью аккумулятора на жидком металле. В нём вместо электродов применяется расплав сурьмы и магния, а вместо электролита — сульфид натрия с растворенным магниевым сплавом.

Учёные-изобретатели под руководством Садвея задались целью создать такой аккумулятор, который бы побил все рекорды прежних своих собратьев по низкой цене, был предельно безопасен в эксплуатации, безотказен и неприхотлив в работе. Ставка сделана на изобретение такого агрегата, который бы мог эффективно действовать при довольно высоких температурных режимах. Ведь не секрет, что любому агрегату, требующему постоянное охлаждение, малейшие форс-мажорные обстоятельства могут грозить выходом из строя. Аккумулятору Садвея это не грозит.

В изделии вместо электродов применен трёхслойный расплавленный металл, разделенный жидким электролитом. Все слои разделены из-за разной плотности состава. Изобретатели уверены, что подобный аккумулятор имеет огромные преимущества перед своими традиционными предшественниками: долговечен, совершенно безразличен к большому числу зарядов-разрядов и может принимать на хранение и отдавать электроток во много раз больший, чем существующие агрегаты. По твёрдому убеждению авторов проекта, такая аккумуляторная батарея полностью удовлетворит потребность любого частного дома в электричестве.

Детище американских изобретателей обещает природным источникам энергии выйти на первый план в борьбе за место на планете среди традиционных углеводородистых ископаемых. С таким аккумулятором не страшны и любые природные куражи: непостоянство ветра, ненадёжность солнечного света. Он быстро накопит энергию, бесконечно долго и без потерь будет сохранять, будет выдавать её долгие часы во время безветрия и пасмурной погоды.

Обнадёживающая перспектива. Хоть и не аккумуляторная революция, но, можно сказать, накануне её. Испытания подходят к своему завершению.

Страховка в квадрате

Недостатки альтернативных источников энергии хоть известны давно, но не так-то просто от них избавиться. Основные из них: дороговизна, низкий КПД, полная зависимость от матушки-природы. Подует ветерок и выглянет солнышко – хорошо, всё заработало. Но надолго ли. То есть, природа всё время держит в своих своевольных руках судьбу потребителей. Как надёжно застраховаться от своеволия природы?

Первая страховка от зависимости – подключение к мощной установке ветрогенератора и солнечных батарей так называемого инвертора, который регулирует работу аккумулятора. Этот агрегат держит под контролем напряжение в сети. При снижении он подключает аккумулятор, который начинает дополнять недостаток напряжения. Как только ветер усилился и солнце стало ярче, инвертор переводит аккумулятор в режим накопления энергии.

Этот способ довольно затратный: надо иметь мощные установки ветрогенератора и солнечных батарей, которые способны обеспечивать дом энергией и одновременно заряжать аккумулятор. Зато он гарантирует эффективность применяемых альтернативных источников энергии.

Второй способ застраховать себя от капризов природы – установить для дома гибридную электростанцию, работающую от ветра, солнца, с подключением к ним в качестве запасного варианта генератора, работающего на двигателе внутреннего сгорания. Страховка тогда обеспечивается полная. Включается двигатель при полном безветрии и отсутствии солнечных лучей, а также при полной разрядке аккумулятора. То есть, генератор на двигателе внутреннего сгорания выполняет роль аварийного, запасного игрока в системе электроснабжения дома. Основные работяги – солнце и ветер.

Второй вариант страховки позволяет иметь менее мощные источники возобновляемой энергии, значит, более дешёвые. Но в любых случаях необходим надёжный, энергоёмкий, экономный аккумулятор, способный быстро заряжаться, не иметь предела зарядки, не терять энергию в процессе хранения и быть ко всему прочему недорогим. Задача с несколькими неизвестными, над решением которой учёные бьются уже несколько десятилетий.

Химическая лаборатория в коробке

А вот учёные Гарвардского университета создали принципиально новейший аккумулятор, основанный на использовании химической реакции органических соединений, заменивших металлические пластины. Такой технологический подход открывает возможности в ближайшее время создать дешёвый и эффективный аккумулятор. Изобретатели называют главную причину дешевизны – использование органических соединений, похожих на растительные. То есть, их можно получать из растений типа ревеня, или из сырцовой нефти.

Аккумулятор нового типа содержит два резервуара с растворами химических соединений. Причём, на водной основе, что полностью исключает пожароопасность агрегата. Оказывается, эти химические компоненты с успехом справляются с теми задачами, которые в старых типах батарей выполняли металлические платиновые катализаторы. Они-то в основном и увеличивали стоимость изделий.

Достоинства данной «химической лаборатории» довольно ощутимы. Они способны хранить большой объём электроэнергии и стоимость хранения одного киловатт/часа снижается с 700 до 27 долларов. Использование химических компонентов, так называемых хинонов, действительно открывает столбовую дорогу для массового изготовления аккумуляторов, о которых давно мечтает весь инженерный мир.

Один из разработчиков Майкл Азиз уверен, что используя такие аккумуляторы в ветровой и солнечной энергетике, можно намного снизить энергозависимость человека от капризов природы. Такие химические лаборатории в коробке позволят получать бесперебойное снабжение энергией даже в условиях длительного безветрия и в ночное время. Кажется, победная финишная ленточка близка.

В.Ильин

Видео про зарядные устройства для Солнечной Батареи, и аккумуляторы: